半导体中的杂质和缺陷

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1、第二章半导体中的杂质和缺陷理想半导体：1、原子严格周期性排列，具有完整的晶格结构。2、晶体中无杂质，无缺陷。3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。实际半导体：1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。2、杂质电离提供载流子。杂质半导体主要内容1.浅能级杂质能级和杂质电离；2.浅能级杂质电离能的计算；3.杂质补偿作用4.深能级杂

2、质的特点和作用1、等电子杂质；2、Ⅳ族元素起两性杂质作用§2-1元素半导体中的杂质能级§2-3缺陷能级§2-2化合物半导体中的杂质能级点缺陷对半导体性能的影响§2-1元素半导体中的杂质能级一、杂质存在的方式1、杂质存在方式金刚石结构Si中，一个晶胞内的原子占晶体原胞的34%，空隙占66%。杂质——与本体元素不同的其他元素(2)替位式→杂质占据格点位置。大小接近、电子壳层结构相近Si：r=0.117nmB：r=0.089nmP：r=0.11nmLi：0.068nm(1)间隙式→杂质位于间隙位置。SiSiSiSiSiSiSiPSiLi1.VA族的替位杂质——施主杂质

3、在硅Si中掺入PSiSiSiSiSiSiSiP+Si磷原子替代硅原子后，形成一个正电中心P＋和一个多余的价电子束缚态—未电离离化态—电离后二、元素半导体的杂质电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电中心，——施主杂质。施主杂质施主能级被施主杂质束缚的电子的能量比导带底Ec低，称为施主能级，ED。施主杂质少，原子间相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级．ED施主浓度：ND施主电离能△ED=弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中自由运动的电子（导带中的电子）所需要的能量ECED△ED=EC－ED施主电离能EV-束缚态离化态+施主杂质的电离能小，在常温下基

4、本上电离。含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型半导体，或电子型半导体晶体杂质PAsSbSi0.0440.0490.039Ge0.01260.01270.0096在Si中掺入BB具有得到电子的性质，这类杂质称为受主杂质。受主杂质向价带提供空穴。2.ⅢA族替位杂质——受主杂质B获得一个电子变成负离子，成为负电中心，周围产生带正电的空穴。B－＋B－EA受主浓度：NAEcEvEA(2)受主电离能和受主能级受主电离能△EA=空穴摆脱受主杂质束缚成为导电空穴所需要的能量-束缚态离化态+受主杂质的电离能小，在常温下基本上为价带电离的电子所占据——空穴由受主能

5、级向价带激发。含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴——P型半导体，或空穴型半导体。晶体杂质BAlGaSi0.0450.0570.065Ge0.010.010.011施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B小结！等电子杂质N型半导体特征：a施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子b电子浓度n〉空穴浓度pP型半导体特征：a受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴b

6、空穴浓度p〉电子浓度nECEDEVEA----++++----++++EgN型和P型半导体都称为极性半导体P型半导体价带空穴数由受主决定，半导体导电的载流子主要是空穴。空穴为多子，电子为少子。N型半导体导带电子数由施主决定，半导体导电的载流子主要是电子。电子为多子，空穴为少子。多子——多数载流子少子——少数载流子杂质向导带和价带提供电子和空穴的过程（电子从施主能级向导带的跃迁或空穴从受主能级向价带的跃迁）称为杂质电离或杂质激发。具有杂质激发的半导体称为杂质半导体杂质激发3.杂质半导体电子从价带直接向导带激发，成为导带的自由电子，这种激发称为本征激发。只有本征激发

7、的半导体称为本征半导体。本征激发N型和P型半导体都是杂质半导体施主向导带提供的载流子=1016～1017/cm3》本征载流子浓度杂质半导体中杂质载流子浓度远高于本征载流子浓度Si的原子浓度为1022～1023/cm3掺入P的浓度/Si原子的浓度=10-6例如：Si在室温下，本征载流子浓度为1010/cm3，上述杂质的特点：施主杂质：受主杂质：浅能级杂质杂质的双重作用：改变半导体的导电性决定半导体的导电类型杂质能级在禁带中的位置4.浅能级杂质电离能的简单计算+-施主-+受主浅能级杂质=杂质离子+束缚电子（空穴）类氢模型玻尔原子电子的运动轨道半径为：n=1为基态电子

8、的运动轨迹氢原子中的电子